Los biólogos sintéticos están adaptando los genomas de microorganismos con circuitos genéticos sintéticos para descomponer los plásticos contaminantes, diagnosticar y tratar de manera no invasiva las infecciones en el intestino humano y generar químicos y nutrición en vuelos espaciales de larga distancia. Aunque muestran una gran promesa en el laboratorio, estas tecnologías requieren medidas de control y seguridad que garanticen que los microorganismos diseñados mantengan intactos sus circuitos genéticos funcionales en muchas divisiones celulares, y que estén contenidos en los entornos específicos para los que están diseñados.
Esfuerzos anteriores en el Instituto Wyss de Harvard para Ingeniería Biológicamente Inspirada liderados por los miembros de la Facultad Central Pamela Silver y James Collins han creado "interruptores de muerte" en bacterias que hacen que se suiciden en condiciones de laboratorio cuando ya no son necesarios ". Necesitamoslleve nuestro trabajo anterior más allá y desarrolle interruptores de interrupción que sean estables a largo plazo y que también sean útiles en aplicaciones del mundo real ", dijo Silver, quien también es profesor de Bioquímica y Biología de Sistemas de Elliot T. y Onie H. Adams.Harvard Medical School HMS. Su equipo de investigación ahora informa en Molecular Cell dos nuevos tipos de interruptores de muerte que abordan estos desafíos. Los nuevos interruptores de muerte son autosuficientes y altamente estables en las poblaciones bacterianas que evolucionan, y duran por muchas generaciones.Pueden garantizar que solo las bacterias con circuitos genéticos sintéticos intactos sobrevivan o confinen las bacterias a un ambiente objetivo a 37 ° C temperatura corporal mientras los inducen a morir a una temperatura más bajatemperaturas, como se demostró durante la salida bacteriana del tracto intestinal de un ratón.
Para el primer tipo de interruptor de muerte, el "Esencializador", el equipo de Silver aprovechó su "elemento de memoria" previamente diseñado que permite a la bacteria E. coli recordar un encuentro con un estímulo específico en su entorno. El elemento de memoria, derivado de unel virus infeccioso de bacterias llamado bacteriófago lambda, permanece en silencio o informa la aparición de una señal activando permanentemente un transgen indicador visible que los científicos pueden rastrear. La señal puede ser cualquier molécula, por ejemplo, una citocina inflamatoria en el intestino o untoxina en el medio ambiente.
En su estudio reciente, el equipo ideó una forma de garantizar que el elemento de memoria no se pierda del genoma durante la evolución de la población bacteriana durante más de cien generaciones. Durante ese tiempo, los genomas de bacterias individuales adquieren mutaciones aleatorias,que también podría ocurrir en el elemento de memoria, destruyéndolo a su paso. Los investigadores introdujeron el Essentializer como un elemento separado en otra ubicación en el genoma de la bacteria. Mientras el elemento de memoria permanezca intacto, cualquiera de los dos factores bacteriófagos que controlansu función también inhibe la expresión de un gen de toxina codificado por el Essentializer. Sin embargo, el gen de la toxina sigue siendo algo "permeable", produciendo cantidades residuales de toxina que pueden matar la célula. Para mantener a raya los niveles de toxina residual, los investigadores incluyeronun segundo gen en su interruptor de muerte, que produce bajos niveles de una antitoxina que puede neutralizar pequeñas cantidades de la toxina.
"Al vincular la función del elemento de memoria con la del Essentializer, básicamente vinculamos la supervivencia de la bacteria E. coli con la presencia del elemento de memoria. La eliminación del elemento de memoria del genoma bacteriano, que también elimina lados factores de fago supresores de toxinas, inmediatamente activan el interruptor de muerte para producir grandes cantidades de toxinas que abruman a la antitoxina y eliminan las bacterias afectadas de la población ", dijo el primer autor Finn Stirling, un estudiante graduado que trabaja con Silver."En este sofisticado sistema de controles y equilibrios, también nos aseguramos de que los interruptores de interrupción permanecieran completamente intactos, lo cual es un requisito previo importante para futuras aplicaciones; verificamos que aún funcionaban después de aproximadamente 140 divisiones celulares ".
El segundo tipo de interruptor de muerte que el equipo llama "Cryodeath" es capaz de limitar las bacterias a un rango de temperatura específico usando la misma combinación de toxina / antitoxina pero regulándola de manera diferente. Mientras que nuevamente, los niveles bajos de antitoxina fueronproducido, el gen de la toxina se unió a una secuencia reguladora que confiere sensibilidad al frío. Cambiando las bacterias de 37 ° C, donde se supone que prosperan, a 22 ° C, indujo potentemente la expresión de la toxina y mató a la bacteria.En experimentos de prueba de concepto, el equipo demostró la utilidad de Cryodeath in vivo. Después de introducir una cepa de E. coli que contenía el interruptor de muerte en ratones, solo 1 de 100,000 bacterias era viable en muestras fecales ". Este avance nos acerca significativamente aAplicaciones del mundo real de microbios diseñados sintéticamente en el cuerpo humano o el medio ambiente. Ahora estamos trabajando para lograr combinaciones de interruptores de muerte que puedan responder a diferentes estímulos ambientales para proporcionar un control aún más estricto ".dijo Silver.
"Este estudio muestra cómo nuestros equipos están aprovechando la biología sintética no solo para reprogramar microbios para crear dispositivos celulares vivos que puedan llevar a cabo funciones útiles para la medicina y la remediación ambiental, sino para hacerlo de una manera segura para todos", dijoEl Director Fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MD, Ph.D., quien también es el Profesor Judah Folkman de Biología Vascular en el HMS y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, así como Profesor de Bioingeniería en la Escuela John A. Paulson de Harvardde Ingeniería y Ciencias Aplicadas SEAS.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Wyss de Ingeniería Biológicamente Inspirada en Harvard . Original escrito por Benjamin Boettner. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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